半导体魔法：从沙子到芯片

—— 半导体魔法：从沙子到芯片的艺术

作者：时间：2015-10-19来源：eepw收藏

32纳米处理器已出现在主流市场，这应该归功于Intel。在过去的三十多年里，Intel始终在半导体工艺方面保持领先地位，并精确地沿着摩尔定律前行。那么，半导体工艺是如何实现从沙子到芯片的魔法呢？
在某种意义上说，半导体制造工艺决定了IT业界的走向，它是我们所知一切计算设备最基础的元素，倘若没有半导体工艺的出现，就不会有像样的计算机，当然就更别指望互联网了。同样，半导体工艺也决定着芯片的计算性能：今天的芯片设计师可以毫无困难地设计出包含100亿个晶体管的CPU或GPU芯片，但现在的半导体工艺还无法承担这个任务，即便是刚登场的32纳米工艺，理论上它也是最多可制造出50亿晶体管的芯片，当然现在还没有集成度这么高的。
     出于对提升竞争力的渴求，芯片厂商总是对半导体工艺孜孜以求，新工艺可以带来更小的线宽，这就意味着芯片可以具有更低的发热量、更高的工作频率、更小的芯片尺寸、更高的集成度以及更低的制造成本，我们可以看到，在架构升级的同时，半导体厂商总是在制造工艺领域进行激烈竞争，譬如CPU领域的Intel与AMD，GPU领域的NVIDIA与AMD，均是如此。
    Intel拥有世界上最强大的半导体工厂和相应的研发能力，在很大程度上说，制造技术也是它一直能在CPU市场居于垄断地位的关键。AMD在拆分半导体业务后成为无工厂半导体企业，产品制造依赖代工，同样采取这种模式的还有NVIDIA。而在芯片制造领域，台湾的TSMC实力最强，新生的GlobalFoundries囊括原AMD的半导体工厂和新加坡特许半导体，实力也不容小视，不过这些厂商都聚拢在IBM周围，以联盟的形式共同承担高成本的技术研发。
    伴随着Core i7/i5/i3的到来，Intel的半导体工艺正式进入到32纳米时代，TSMC、IBM、GlobalFoundries阵营则直接从45纳米向28纳米发起冲击，Intel的下一个目标直接锁定22纳米，与此对应，我们将会看到动辄包括几十亿晶体管的计算芯片寻常可见，而在32纳米工艺下，一个晶体管的大小只相当于一个感冒病毒。
半导体工艺的发明与摩尔定律
我们都熟知，半导体芯片所用的制造材料都是二氧化硅，而二氧化硅的来源基本上就是遍布河滩、海滩的沙子。大众很难将沙子与高科技的芯片划上等号，但事实就是如此。
现代半导体制造技术可以追溯到1959年，当时的仙童公司和德州仪器同时发明了集成电路：通过一种特殊的平面处理技术让硅晶体管大批量集中在同一块芯片上，而不是像从前那样只能一个个晶体管地生产组装，这也就是我们今天所说的半导体制造技术。这项技术使计算产业产生了深刻的改变，带动了计算机的运算性能和存储容量快速提升，为后来的发展奠定了基础。
    1964年，作为仙童公司创始人之一的摩尔博士在作统计图表时发现一个奇特的规律：集成电路中的晶体管数目，每隔18个月都会往上翻一番。摩尔预言这种趋势在未来将一直持续，这也就是著名的“摩尔定律”。1968年，摩尔与诺依斯、葛罗夫一道离开了仙童公司，创办Intel公司，在Intel进军X86处理器领域后，摩尔定律被Intel奉为企业发展的灵魂，并严格按照这个规律对半导体技术进行升级。同样，秉承仙童血统的Intel一直都将半导体制造视为业务核心，奠定了它在芯片领域牢不可破的优势。
原理：从沙子到芯片的过程
以今天的目光来看，仙童时代的集成电路是非常简陋的，它只能在一枚芯片内容纳几百个晶体管，而今天的32纳米工艺将这个数量推高到几十亿。尽管数字如此悬殊，但它们的原理、设备与生产流程并没有本质性的不同。
制造晶圆是生产芯片的第一步，晶圆的成分就是纯度达99.99%以上的硅晶体，它的原始材料就是二氧化硅，经过提纯、拉晶等多道复杂的工序后成为超高纯度的晶圆棒，之后晶圆棒再被切割为一个个均匀的薄片，这些硅薄片就是我们所说的晶圆。
    在接下来的工序中，这些硅晶圆会被划分为一个个矩形的区域，它们与一枚枚芯片相对应，逻辑电路便在这里生成。生成逻辑电路的工序与照相非常类似，它们都是将影像显示在底片上，对半导体生产来说，这个影像就是芯片逻辑的缩微电路图，具体地说，芯片的逻辑图会以电路磁带的方式提交给芯片工厂，工厂再利用电子束曝光系统将磁带上存储的电路图形以金属铬膜的形态制作在玻璃或石英上，这样就制造出了“光罩”。接下来，“光罩”被放置在硅晶圆表面，工程人员则操作光刻机，利用规定波长的紫外线照射硅片。有“光罩”金属铬膜的地方，光线被遮挡，而在没有金属铬膜的地方，紫外线就透过玻璃或石英到达硅片上，形成所需要的图形，这个过程也被称为“显影”。
    “显影”工序只是将芯片的电路图形显示在硅片上，接下来要进行的就是电路图的永久固定生成，它主要包括蚀刻、离子植入和金属溅镀等几个步骤，蚀刻的任务是将硅片上不需要的部分去掉，形成容纳导线的凹槽，目前主流技术是采用电子束垂直轰击的方式进行。
    蚀刻工作完成后，就产生了线路凹槽，电路图样被固化在硅片中，下一步工作就是进行离子植入和金属溅镀，构建出半导体组件和连接的线路。这样，芯片的关键制造工作就完成了。不过我们还需要将它封装起来。封装有两个作用，一是用坚硬的外壳来保护芯片；二就是建立信号引脚，使得芯片能够与主板通讯。
障碍：漏电流令摩尔定律一度停滞
从1956年一直到2003年，摩尔定律的运行没有遭遇任何强有力的挑战，半导体工业很精确地按照这个规律前进。但从2004年的90纳米工艺开始，摩尔定律就遇到麻烦，此时晶体管的一个关键部件即将达到极限，这个部件就是位于栅极、源极和漏极电子流通道之间的二氧化硅绝缘层。在采用90纳米工艺时，这个绝缘层的厚度仅有1.2纳米，相当于5个原子的厚度。
    如此之薄的绝缘层让漏电流变得越来越严重，并成为一种灾难。此时为了保证信号的稳定性，制造商不得不通过提高门电压或增大驱动电流的方式加以补偿，而这就意味着发热量激增，芯片的稳定性也变差。显而易见，漏电流问题如果不得到妥善的解决，那么摩尔定律将不再有效，半导体工艺也会因此陷入停滞。
    尽管加厚绝缘层可以缓解漏电流，但它会令芯片尺寸增大，几乎抵消了新工艺带来的好处。既然此路不通，而二氧化硅材料也达到了极限，那么采用新的材料就成为突破口。这种新材料要求具有更高的K值（介电常数值），在同样厚度下仍可起到良好的绝缘作用，避免漏电流的发生。Intel的工程人员成功地研发出可满足要求的高K材料，这种材料加入了铪基成分，同时为了解决工艺兼容问题，Intel还引入一种新的金属栅极。最终，新的晶体管技术使源极－漏极的漏电流降低5倍以上，栅极漏电流减少了10多倍，这相当于将传统绝缘层的厚度“增加”了10倍。
    就这样，高K材料让摩尔定律可以继续前行，这项技术被Intel成功地应用于45纳米工艺中，新到来的32纳米工艺同样受益于此。如你所见，新一代芯片都具有优良的能耗特性，漏电流不再成为困扰。
    在Intel之后，IBM与日本的一些半导体企业也先后披露了类似的成果，IBM同样将在新一代工艺中采用这项技术。
封装：芯片的保护与电气性能
半导体芯片都采用多层结构，不同的逻辑电路层再通过专门的线路连接在一起，早期半导体工业采用铝互联，大约在2000年前后改用电阻率更低的金属铜，目前Intel的处理器广泛采用9层铜互连结构。尽管铜互连技术能够一直满足到15纳米阶段的需要，但业界均认为光互连将成为铜互连技术的天然替代者。
封装是芯片生产中的最后一个制造工序，封装本身并不影响芯片的性能，但它依然十分重要，不仅起着安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能的作用，也对芯片的工作稳定性、安全性有着很大的影响。
    首先，芯片的信号接触点必须用导线连接到封装外壳的引脚或触点上，这些引脚或触点又通过PCB板上的导线与其他器件建立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。对于高频率的芯片来说，封装技术会影响到它们工作的稳定性。
    芯片面积与封装面积的比值，是封装时主要考虑的因素。为提高封装的效率，二者要尽量接近1:1，同时引脚要尽量短以减少延迟，引脚间的距离则要求尽量远，以保证互不干扰、提高性能。基于散热的要求，封装越薄越好。不难看出，上述的若干要求之间是存在矛盾的，半导体厂商则会根据芯片的实际情况选择不同的封装方式。
    Intel从Prescott时代引入的LGA封装曾备受争议，这种封装以信号触点代替传统的针脚，以提高信号质量、满足高频运作的要求。AMD的高端桌面和服务器芯片现在也都采用类似的技术。不过移动型计算芯片都还是沿用传统的针脚方式，这样做主要是考虑空间占用的因素。而在封装尺寸上，我们可以看到，桌面芯片总是比移动型芯片大得多，芯片表面也覆盖着具有保护作用的金属盖；移动芯片尺寸则小，同时也没有金属保护盖，原因在于桌面芯片经常拆换，必须有严密的保护；而移动芯片都是在笔记本电脑的内部，除非专业维修人员，其他人是不会轻易去动它们的。
未来：28纳米到光芯片
Intel Core i5和i3充分展现了32纳米的风采。作为主流定位的处理器，这两款产品都展现出了一流的性能，同时功耗和芯片尺寸控制得非常好，并在封装内集成了一枚GPU芯片。这两个系列的到来，也意味着Intel处理器将开始全部转入32纳米体系，这个过渡阶段将在2010年内宣告完成。
    与Intel相比，作为竞争对手的AMD剥离了半导体业务而轻装上阵，但这也意味着AMD默认了在工艺上落后的事实。现在，AMD刚刚完成45纳米工艺的过渡，在未来一年它仍然是主角。不过到明年底，TSMC和GlobalFoundries就能够实现28纳米工艺的生产，届时AMD GPU与CPU都将开始直接跳到28纳米阶段，虽然此时45纳米产品还是市场主力，但这已经能够对Intel的32纳米工艺产品形成制衡。
    这种错位发展的策略非常英明，不过它并非AMD的杰作，而是IBM芯片技术联盟的共识，几乎除Intel外的所有半导体厂商都聚拢在IBM周围，对未来的半导体工艺进行合作研发，以此实现分摊高昂研发成本。
    按照Intel的路线图，32纳米工艺将一直活跃到2011年，之后更先进的22纳米技术便登台亮相，再往后的两年，便达到15纳米阶段，此时，半导体工艺也将迎来自己的极限，也许Intel还可以通过新技术延长它的寿命，但潜力已经越来越小。业界普遍认为，硅光技术将取代传统半导体芯片成为新的王者，以光信号为介质的计算芯片离我们越来越近。显然，在未来的光芯片时代，或许将有新的法则来取代摩尔定律。
    在半导体工艺前进的同时，IC设计的思想也在不断地发生变化，从最早的频率至上，到现在已成标准的多核心设计，业界一致认为，拥有大量专用加速单元的多核心设计将成为未来，而CPU与GPU的结合趋势也初步显现。我们相信，在未来的十年，半导体工业将进入一个全新的阶段。